基于快速控制原型的ABS實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)

華帆帆，孫躍東，周 萍

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

基于快速控制原型的ABS實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)

華帆帆，孫躍東，周 萍

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對ABS實(shí)驗(yàn)臺控制器的設(shè)計(jì)與開發(fā)，利用Matlab/Simulink建立ABS實(shí)驗(yàn)臺控制模型，并進(jìn)行離線仿真得到理論制動曲線。基于dSPACE的快速控制原型半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在RTI實(shí)時(shí)接口中將控制模型下載到Autobox中，并在實(shí)驗(yàn)管理軟件Controldesk中設(shè)定數(shù)據(jù)及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的ABS控制器得到的控制效果和離線仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了控制器的可行性。快速控制原型的方法為控制器的開發(fā)提供了一種新思路，減少了開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。

ABS實(shí)驗(yàn)臺；dSPACE實(shí)時(shí)仿真；快速控制原型；RTI實(shí)時(shí)接口

汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)是提高主動安全性能的主要技術(shù)，因此對ABS裝置的研發(fā)是汽車電子裝置研究開發(fā)的重點(diǎn)，但是由于我國研發(fā)起步較晚以及掌握的核心技術(shù)不足，需要嘗試不同的控制方法來進(jìn)行制動試驗(yàn)用于測試所設(shè)計(jì)控制器的控制策略[1]。

現(xiàn)階段，快速控制原型方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期階段[2]，運(yùn)用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以快速有效地創(chuàng)建模型并驗(yàn)證控制策略的可行性，它可以實(shí)現(xiàn)在沒有控制器硬件的條件下進(jìn)行控制算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，達(dá)到軟硬件并行工程的目的，最終減少開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本[3]。

1 ABS實(shí)驗(yàn)臺工作原理

1.1 ABS實(shí)驗(yàn)臺硬件總體布局

實(shí)驗(yàn)臺基于MK20-I型ABS系統(tǒng)，主要零部件配備的是帕薩特新領(lǐng)馭的原裝車部件，另外也安裝了動力驅(qū)動傳動系統(tǒng)，電子電腦控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)臺由三相異步電動機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，并通過變頻器改變頻率使電動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化[4]，模擬各工況下的行車速度。利用磁粉離合器實(shí)現(xiàn)地面對車輪的制動作用，同時(shí)也模擬部分運(yùn)動慣量[5]。用灰口鑄鐵制作的慣性飛輪模擬車輛的慣量。實(shí)驗(yàn)臺總體布局如圖1所示。

圖1 ABS實(shí)驗(yàn)臺總體布局圖

1.2 汽車制動過程分析

(1)汽車制動過程受力分析。汽車在道路上行駛，踩下制動踏板時(shí)，受到的阻力之和為

F=Fb+Ff+Fw

(1)

其中，F(xiàn)是汽車受到的總阻力；Fb是地面制動力；Ff是車輪滾動阻力；Fw是空氣阻力。而在實(shí)際運(yùn)算過程中發(fā)現(xiàn)，空氣阻力與滾動阻力比地面制動力小很多，可以忽略不計(jì)，因此

F=Fb

(2)

(2)汽車制動時(shí)車輪運(yùn)動分析。

圖2 車輪受力示意圖

汽車車輪在平整路面制動時(shí)的受力情況如圖2所示。根據(jù)合力矩定理可得

Mb=Jw×ε+Fb×r

(3)

其中，Mb是制動器制動力矩；Jw是車輪轉(zhuǎn)動慣量；ε是車輪角減速度；r是車輪半徑;

(3)ABS實(shí)驗(yàn)臺上車輪運(yùn)動分析。以實(shí)驗(yàn)臺車輪部分為研究目標(biāo)，它在制動時(shí)受到磁粉離合器傳遞的扭矩、制動器制動力和慣性力矩的作用，受力分析圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺受力示意圖

實(shí)驗(yàn)臺制動盤阻力因素的影響較小，可以忽略不計(jì)，因此實(shí)驗(yàn)臺的力矩方程為

Mb=Me+Jb×ε′

(4)

其中，Me是離合器傳遞的力矩；Jb是制動盤轉(zhuǎn)動慣量；ε′是實(shí)驗(yàn)臺制動盤角速度。

在實(shí)驗(yàn)臺上，定義所測量的車輪制動力所占整車制動力的比例為k，得到

(5)

其中，φ是道路附著系數(shù)；b是質(zhì)心到后軸的距離；L是軸距；hg是質(zhì)心高度。

在實(shí)際制動過程中，汽車的前輪與后輪都不會發(fā)生抱死狀況，由于假設(shè)的汽車車輪角減速度和實(shí)驗(yàn)臺的車輪角減速度一致，即ε=ε′，由式(3)～式(5)可化簡得到實(shí)驗(yàn)臺制動時(shí)磁粉離合器傳遞力矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式

(6)

公式表明，在路面附著系數(shù)不變的前提下，ε為變量，其他參數(shù)都是常量，因而通過傳感器測得輪速信號后，就可以實(shí)現(xiàn)磁粉離合器的控制。

2 ABS快速控制原型軟件設(shè)計(jì)

在汽車控制系統(tǒng)的開發(fā)過程中，通常采用的是V模式開發(fā)流程，其基本開發(fā)過程分為：功能設(shè)計(jì)與離線仿真、快速控制原型(RCP)、代碼生成、硬件在環(huán)仿真(HIL)、標(biāo)定與匹配，這也形成了從產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)、控制策略軟件編程、可靠性測試及標(biāo)定的汽車電控系統(tǒng)開發(fā)一體化的解決方案[6]。

2.1 控制系統(tǒng)開發(fā)工具

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是借助于Matlab/Simulink和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)來完成。Simulink是Matlab的重要模塊之一，它采用圖形化編輯語言，所設(shè)計(jì)的程序也是以框圖的形式展現(xiàn)，其操作簡單、結(jié)構(gòu)流程清晰、適應(yīng)性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于控制理論的建模和仿真。而dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是德國dSPACE機(jī)電控制技術(shù)公司設(shè)計(jì)的系統(tǒng)開發(fā)和測試工作臺，是一套先進(jìn)的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)[7]。dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的主要部件有：處理器板卡DS1005、I/O接口板卡DS2211以及Autobox處理器3部分[8]。處理器和板卡接口是用32位的PHS總線方式來通信的，這種方式專為實(shí)時(shí)應(yīng)用服務(wù)。DS2211是硬件在環(huán)中的I/O接口板卡，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。DS1005板卡是建立在Matlab/Simulink上開發(fā)的實(shí)時(shí)仿真處理器，通過Matlab/Simulink及dSPACE的實(shí)時(shí)接口庫(RTI)就可以完成dSPACE的編程。

2.2 仿真模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是對電動機(jī)的閉環(huán)控制和對磁粉離合器的開環(huán)控制。先測量得到傳感器輸出的信號，再通過電腦的計(jì)算分析得到實(shí)際的控制信號數(shù)據(jù)，向電動機(jī)和磁粉離合器輸入控制信號，就能達(dá)到對電動機(jī)和磁粉離合器控制的目的。實(shí)驗(yàn)臺總控制模型如圖4所示。實(shí)驗(yàn)臺控制模型中主要包含2個(gè)子模塊，分別為磁粉離合器控制模塊和電動機(jī)控制模塊[9]。

圖4 ABS實(shí)驗(yàn)臺控制模型

磁粉離合器是利用通電過程中磁粉間產(chǎn)生相互作用的抗剪力來傳遞扭矩，它與激勵(lì)電流的大小成正比，因此，磁粉離合器可以作為一個(gè)線性元件來使用[10]。在磁粉離合器控制系統(tǒng)中，先利用光電傳感器測得輪速信號，將信號傳遞給Autobox進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算得到角減速度，再由式(6)計(jì)算所需要的離合器力矩，從而確定應(yīng)該輸出給磁粉離合器的電流，實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。

電動機(jī)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的作用是：在踩下制動踏板時(shí)，輪速信號被輪速傳感器采集，并輸送給DS2211板卡，由DS2211板卡進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后傳遞至DS1005處理器板卡，控制系統(tǒng)對所測得信號計(jì)算，得到反饋信號。通過車速的反饋信號和目標(biāo)車速的對比獲得一個(gè)偏差信號，再利用PID進(jìn)行信號整形處理，經(jīng)I/O板卡的D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送給通用變頻器，改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)對車速的模擬，最終使實(shí)驗(yàn)臺得到所需的車速。電動機(jī)控制模塊是一個(gè)閉環(huán)控制，為使控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，對信號采用了PID處理[11]。PID控制一般分為位置式PID控制和增量式PID控制，位置式PID算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(7)

式中，k是采樣順序，k=0, 1, 2，…；u(k)是第k次采樣時(shí)刻的輸出值；e(k)是第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差。

在式(7)中的控制算法要求對e(k)進(jìn)行疊加，導(dǎo)致運(yùn)算量加大，不利于計(jì)算，因此通常情況下不采用位置式PID控制算法，而是采用增量式PID控制算法。對式(7)運(yùn)用遞推原理，得到新的表達(dá)式

u(k)=Kpe(k)+Ki(k)+Kd[e(k)-e(k-1)]

(8)

式中，u(k)=u(k)-u(k-1)；e(k)=e(k)-e(k-1)。

采用增量式PID算法時(shí)，輸出量u(k)代表的是該次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量，它的實(shí)際控制量由軟件來實(shí)現(xiàn)。在經(jīng)過PID處理后得到一個(gè)變化的電壓，輸入給變頻器VRF端，從而改變變頻器頻率，最終控制實(shí)驗(yàn)臺速度[12]。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 快速控制原型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)利用裝備了MK20-I型ABS系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺，并用它作為快速控制原型的硬件組成，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[13]，對Simulink設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行測試及分析。實(shí)驗(yàn)臺的主要部件如表1所示。

表1 快速控制原型實(shí)驗(yàn)臺組成

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，運(yùn)用到的是DS2211板卡的7路A/D和4路D/A通道，必須保證實(shí)驗(yàn)臺輸出信號接口和實(shí)時(shí)仿真接口相一致，因此設(shè)計(jì)了一條如圖5所示的線束。

圖5 DS2211板卡接口通道示意圖

在利用dSPACE和Matlab的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，RTI(Real-Time Interface)和RTW(Real-Time Workshop)是dSPACE快速開發(fā)的基礎(chǔ)[14]。dSPACE的RTI接口是對Simulink庫的擴(kuò)展，通過它可以完成I/O接口和初始化過程設(shè)置。將帶RTI實(shí)時(shí)接口的實(shí)驗(yàn)臺控制模型下載到Autobox中，利用dSPACE中的管理軟件Controldesk就能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的建立及數(shù)據(jù)的設(shè)定[15]。dSPACE實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)的步驟如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)建立步驟

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的需要，可以在Controldesk中創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)界面，設(shè)定各參數(shù)的初始值，完成這些操作后就可以進(jìn)行制動實(shí)驗(yàn)了，而利用Controldesk中的示波器工具就能夠直觀地看出實(shí)驗(yàn)臺制動時(shí)的車速及車輪變化狀況。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在開始制動實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須先完成PID參數(shù)的設(shè)定。在系統(tǒng)調(diào)試后，最終確定PID參數(shù)：Kp=40；Ki=270；Kd=1.75。選取50 km/h的初速度在附著系數(shù)為0.75的瀝青路面和附著系數(shù)為0.5的碎石路面條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 制動實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對圖7的進(jìn)行結(jié)果分析，表明實(shí)驗(yàn)臺可以實(shí)現(xiàn)制動作用，但是制動時(shí)間比理論略長，這主要是制造誤差產(chǎn)生的影響。而在汽車制動時(shí)，當(dāng)附著系數(shù)較小，制動時(shí)間會相對延長，這可以在兩圖的對比下得到較好的反映。左前輪與右前輪制動曲線在理論情況下應(yīng)該保持一致，但圖中并沒有重合，這是由于左右前輪被2個(gè)磁粉離合器分別控制，實(shí)驗(yàn)臺的制造誤差是出現(xiàn)這種狀況的主要原因。在制動過程中，車速在制動力的作用下不斷降低，最終完成制動，而車輪始終沒有出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，與實(shí)際制動情形相似，達(dá)到了ABS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文通過對ABS實(shí)驗(yàn)臺制動過程分析，利用Simulink創(chuàng)建控制對象模型，實(shí)現(xiàn)控制算法，再通過dSPACE構(gòu)造ABS實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的快速控制原型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用快速控制原型設(shè)計(jì)出的ABS控制系統(tǒng)可以很好地達(dá)成控制效果，并且能夠?qū)崟r(shí)地調(diào)整控制參數(shù)，這為ABS控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種新的思路，縮短了控制系統(tǒng)開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本，提高了效率。

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Research of ABS Test-bed Control System Based on Rapid Control Prototype

HUA Fanfan,SUN Yuedong,ZHOU Ping

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

This paper establishes the ABS test-bed control model using Matlab/Simulink and performs the off-line simulation to obtain the theoretical braking curve for the design and development of ABS test-bed controller. Based on the dSPACE rapid control prototype hardware-in-loop simulation experiment design, control model is downloaded to Autobox in RTI real-time interface; in addition, data is set and experiments are conducted in the experimental management software Controldesk. The results show that the control effect obtained by the designed ABS controller is basically consistent with the offline simulation results, which verifies the feasibility of the controller. The method of rapid control prototype provides a new idea for the development of the controller, shortens the development cycle and saves the development cost.

ABS test-bed; dSPACE real-time simulation; rapid control prototype; RTI real-time interface

2016- 05- 26

上海市研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(JWCXSL1022)

華帆帆(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：汽車電子控制技術(shù)。孫躍東(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向:車輛動力系統(tǒng)及匹配技術(shù)，車輛發(fā)動機(jī)性能測試。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.033

TP273;U463.5

A

1007-7820(2017)04-131-05